Design of a composite filament-wound high-pressure vessel

In the Oil&Gas sector, pressure vessels used to store oil and gas or to damp the oscillation of pressure in the pipelines are usually made by steel. The low corrosion resistance of it, in addition to the need to create structures which are as light as possible, pushed the industrial world towards different type of materials, among which composites represent the best trade-off. The know-how for these kinds of applications for composites is not widely defined, hence the only way to proceed is following current standards. The aim of this thesis is to design, according to BS 13923:2005, a glass reinforced plastic (GRP) filament-wound pressure vessel, considering as input values some known design parameters. Starting from elastic and mechanical properties of fibres and matrix and volume fraction, it is possible to evaluate the elastic and mechanical properties of lamina using the proper software and then compute: - The optimal winding angle for helical winding 𝛼0,ℎ on cylindrical region of the vessel; - The minimum thickness for helical and circumferential winding on cylindrical region which guarantee, according to the standard, safety condition for the structure. The analytical approach to define the contour and the thickness of geodesic end-domes moves to approximate solutions; hence, it is necessary to proceed following a numerical approach. Because of the continuously variation of winding angle on the end-domes, in order to build up the finite element model a plug-in of Abaqus software is used, called “Wound Composite Modeler”. The numerical analysis is the only way to validate the analytical calculations while qualification tests are necessary to approve the project. The analysis of numerical results allows to conclude that the minimum thickness evaluated through standard are sufficient to avoid failure condition for fibres but not for the matrix. A numerical iteration is needed to get the final geometry, which presents a thickness about 35% higher compared to the one obtained analytically. The performance factor allows to state that the study case is a challenge application compared to the present market, due to the high internal pressure and high internal diameter. The possibility to build the vessel will be evaluated only by the manufacturer.

Nel settore Oil&Gas, i recipienti in pressione usati per stoccare petrolio e gas o per smorzare le oscillazioni di pressione nelle condutture sono solitamente realizzati in acciaio. La bassa resistenza alla corrosione di quest’ultimo, sommata alla necessità di realizzare strutture che siano quanto più leggere possibili, ha spinto il mondo industriale verso materiali diversi, tra i quali i compositi rappresentano il giusto trade-off. Il know-how progettuale per questo tipo di applicazioni per i materiali compositi non risulta ampiamente definito, per cui l’unico modo di procedere è in accordo alle normative vigenti. Lo scopo di questa tesi è progettare, secondo la normativa BS 13923:2005, un recipiente in pressione in materiale composito a matrice epossidica rinforzata con fibre di vetro, a partire da parametri di progetto definiti e da realizzare secondo la tecnica del filament-winding. A partire dalle proprietà elastiche e meccaniche del rinforzo e della matrice e dal volume di fibra, è possibile valutare le proprietà elastiche e meccaniche della lamina sviluppando adeguati modelli di calcolo, per poi passare a definire: - L’angolo ottimale di avvolgimento delle fibre elicoidali 𝛼0,ℎ sulla parte cilindrica del vessel; - Gli spessori minimi per l’avvolgimento elicoidale e circonferenziale nella zona cilindrica che garantiscano, secondo la norma, condizioni di sicurezza per la struttura. La definizione analitica del profilo e dello spessore delle calotte geodetiche conduce a soluzioni approssimate per cui è necessario procedere seguendo un approccio numerico. A causa della variazione continua dell’angolo di avvolgimento sulle calotte, per la realizzazione del modello ad elementi finiti viene utilizzato il plug-in denominato “Wound Composite Modeler” integrativo al software di base Abaqus. L’analisi numerica è l’unico modo per validare i calcoli analitici, mentre prove di qualifica saranno necessarie per l’approvazione del progetto. L’analisi dei risultati numerici permette di concludere che gli spessori minimi ricavati dalla norma sono sufficienti ad evitare condizioni di cedimento per le fibre ma non per la matrice. Un’ iterazione numerica è necessaria per ottenere la geometria definitiva, la quale presenta uno spessore di circa il 35% in più rispetto a quello stimato per via analitica. La valutazione del fattore di performance permette di concludere che il caso di studio risulta essere un’applicazione spinta rispetto al mercato attuale data l’elevata pressione interna e dato l’elevato valore del diametro interno. La possibilità o meno di costruzione sarà unicamente valutata dal costruttore.